CN110221141A - 一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法，属于高压电力设备故障技术领域，其套管体，套管体一端为封闭端，另一端密封连接有法兰；套管体上套设有硅橡胶绝缘护套且套管体内设有导电杆，导电杆通过过热模拟结构与封闭端连接，导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；法兰、套管体封闭形成腔室，腔室内充满SF6气体绝缘；过热模拟结构包括设在导电杆一侧的触指以及设在套管体封闭一端的触头，触头表面安设有若干表带，触指插接在触头上，本发明可用于模拟套管触头触指接触面积不足、触指接触不良导致的过热故障，进而研究直流套管过热故障的特点。

Description

一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法

技术领域

本发明属于高压电力设备故障技术领域，具体涉及一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法。

背景技术

换流变是直流输电系统的关键设备，换流变直流套管用来穿入阀厅，将换流变与阀厅内设备建立电气连接。但是，随着换流变逐步增大的应用规模，换流变直流套管的电压等级越来越高，结构越来越复杂，在运行中发生故障的情况也越来越多，尤其是直流套管的过热故障，占到换流变直流套管故障总数的80％以上。但目前技术中缺少研究换流变直流套管过热故障的特点及过热故障的温度分布规律的设备。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法，用于模拟套管触头触指接触面积不足、触指接触不良导致的过热故障，进而研究直流套管过热故障的特点。

为实现上述目的，本发明提供一种换流变直流套管过热故障模拟平台及方法，其包括套管体，所述套管体一端为封闭端，另一端密封连接有法兰；所述套管体上套设有硅橡胶绝缘护套且所述套管体内设有导电杆，所述导电杆通过过热模拟结构与所述封闭端连接，所述导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；所述法兰、所述套管体封闭形成的腔室，所述腔室内充满SF6气体绝缘；所述过热模拟结构包括设在所述导电杆一侧的触指以及设在所述套管体封闭一端的触头，所述触头表面设有若干表带，所述触指插接在所述触头上。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述胶浸纸电容芯子的表面、所述导电杆的表面、所述触头和所述触指的连接处的一处或多处设置有光纤测温点。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述封闭端上设有气体检测阀门。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述触头与所述触指的接触面积S为：

S＝n_s×b_s×L_s

式中：n_s为所述表带数量，b_s为每条所述表带的接触宽度，L_s为触头触指的对接长度。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述套管体的空气端干弧距离L_g和所述硅橡胶绝缘护套的外绝缘爬电距离L_p分别为：

空气端干弧距离L_g：

L_g＝U_Lg×α/E_g

式中：U_Lg、α、E_g分别为额定工频干闪电压，裕度系数和平均干闪场强；

外绝缘爬电距离L_p：

L_P＝nL_b

式中：n为所述硅橡胶绝缘护套的伞裙个数，L_b表示爬电比距(单位：无量纲)。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述胶浸纸电容芯子在所述套管体内的绝缘距离L_w为：

L_w＝U_Lg×α/E_w

式中：U_Lg、α、E_w分别为额定工频干闪电压，裕度系数和SF6平均放电场强。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述胶浸纸电容芯子的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，进一步地，所述胶浸纸电容芯子采用等裕度、不等台阶的设计方法。

一种换流变直流套管过热故障模拟方法，其利用权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台进行，通过调节所述触头和所述触指之间的插接长度或改变所述表带的安装位置或改变所述表带的材料，用于模拟所述过热模拟结构接触面积不足导致的过热故障。

如上所述的换流变直流套管过热故障模拟方法，进一步地，还包括通过在所述触指内布置金属氧化物碎屑，用于模拟所述过热模拟结构接触不良导致的过热故障。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：过热模拟操作简单，可模拟接触面积不足、触指接触不良的常见过热故障；多点设置的光纤测温点可在温升试验过程中实时监测各设置点的温度情况，用于研究套管过热故障的温度分布规律；设有检测阀门，可通过温升试验研究过热故障时SF₆气体分解物含量随时间的变化规律、分解物的比值变化规律、产气速率变化规律。

附图说明

图1是本发明实施例的换流变直流套管过热故障模拟平台的截面图。

图2是胶浸纸电容芯子的层间场强的分布图。

图3是胶浸纸电容芯子的工频轴向场强的分布图。

其中：1、导电杆；2、胶浸纸电容芯子；3、法兰；4、硅橡胶绝缘护套；5、触头；6、触指；7、测温光纤；8、套管体；9、腔室；10、端盖；11、安装铜盘；12、气体检测阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

参见图1，一种换流变直流套管过热故障模拟平台，其包括套管体8，套管体8一端为封闭端，另一端密封连接有法兰3；套管体8上套设有硅橡胶绝缘护套4且套管体8内设有导电杆1，导电杆1通过过热模拟结构与封闭端连接，导电杆1上套设有胶浸纸电容芯子2；法兰3、套管体8封闭形成的腔室9，腔室9内充满SF6气体绝缘；过热模拟结构包括设在导电杆1一侧的触指6以及设在套管体8封闭一端的触头5，触头5表面设有若干表带，触指6插接在触头5上。

具体实施中，套管体8的封闭端为端盖10，触头5螺纹连接在端盖10上，导电杆1一端的触指6套接在触头5上，导电杆1另一端通过安装铜盘11与胶浸纸电容芯子2固定连接。胶浸纸电容芯子2是换流变直流套管的内绝缘结构，在设计时根据应用场合选取，优选环氧树脂胶浸纸电容芯子。硅橡胶绝缘护套4为套管体8空气侧外绝缘结构，根据换流变的使用环境选取，优选空心复合硅橡胶绝缘套。由法兰3、套管体8封闭形成的腔室9充满SF6气体绝缘，SF6气体的额定压力根据换流变的使用环境确定。通过调节触头5和触指6之间的插接长度从而实现两者的接触面积的调节，用于模拟触头5触指6接触面积不足造成的过热故障，通过现有的测温技术探测测试点的温度进而探究其故障规律和温度变化特点。此外，作为另一实施例，拆除左侧端盖10后通过在触指6的安装槽内布置金属氧化物碎屑，用于模拟触头5与触指6接触不良造成的过热故障，通过现有的测温技术探测测试点的温度进而探究其故障规律和温度变化特点。本发明提供的换流变直流套管过热故障模拟平台具有过热模拟操作简单，可模拟接触面积不足、触头触指接触不良的常见过热故障的特点。

进一步地，胶浸纸电容芯子2的表面、导电杆1的表面、触头5和触指6的连接处的一处或多处设置有光纤测温点。光纤测温点用于检测套管体8内胶浸纸电容芯子2表面、触头5和触指6的连接处的温度，用于分析套管过热故障后套管内部的温度分布规律，同时光纤测温点与外部多通道温度监测器连接，可实时监测套管内部的温度分布情况，可以避免拆除零部件以及提高测量效率。

进一步地，封闭端上设有气体检测阀门12，由法兰3、套管体8封闭形成的腔室9内气体压力不足时，可利用SF6气瓶通过气体检测阀门12在线补气而避免拆除封闭端部件。同时，在过热故障模拟试验中，可利用SF6气体组分检测仪通过气体检测阀门12监测腔室9内的研究过热故障时SF6气体分解物含量随时间的变化规律、分解物的比值变化规律、产气速率变化规律等。

进一步地，触头5与触指6的接触面积S为：

S＝n_s×b_s×L_s

式中：n_s为表带数量，b_s为每条表带的接触宽度，L_s为触头触指的对接长度。

本实施例中，触头5的多条表带与触指6通过弹性接触载流，每条表带可载流1000A，根据该计算方法，触头5与触指6的接触面积S的调节除了通过调整对接长度L_s之外，还可改变表带数量n_s或者每条表带的接触宽度b_s实现。具体地，连接表带数量为4，每条表带的接触宽度为24mm，正常情况下触头5触指6的对接长度为30mm则，接触面积S为4*24*30＝2880mm²，载流密度为J计算如下：

通过调节触头5触指6的对接长度可调节触头5触指6的接触面积，以模拟接触面积不足的过热故障。触头5触指6的载流密度与触头5触指6的对接长度成反比，比如触头5触指6的对接长度调节为原来的50％即15mm，则载流密度增加为原来的2倍即2.08A/mm²，将导致触头5触指6、导电杆1和套管体8内部严重发热。

进一步地，套管体8的空气端干弧距离L_g和硅橡胶绝缘护套4的外绝缘爬电距离L_p分别为：

空气端干弧距离L_g：

L_g＝U_Lg×α/E_g

式中：U_Lg、α、E_g分别为额定工频干闪电压，裕度系数和平均干闪场强；

外绝缘爬电距离L_p：

L_P＝nL_b

式中：n为硅橡胶绝缘护套的伞裙个数，L_b表示爬电比距(单位：无量纲)。

本实施例中，设计额定工频干闪电压为165kV，裕度系数取值1.2倍，而硅橡胶绝缘护套4伞裙在空气中的平均干闪场强为2.4～3kV/cm，平均干闪场强取值为最严苛的2.4kV/cm，因此，套管体8空气端干弧距离L_g为：

L_g＝U_Lg×α/E_g＝825mm

考虑到套管体8空气端干弧距离可以取值为2.7倍，因此套管体8空气端干弧距离L_g最终选择为2300mm。考虑硅橡胶绝缘护套4的安装，最终硅橡胶绝缘护套4的总长为2600mm。硅橡胶绝缘护套4的伞裙个数为100，套管体8要求爬电比距不小于43mm，因此外绝缘爬电距离L_p为：

L_p＝nL_b＝100×43＝4300mm

考虑到爬电距离应考虑1.75倍的裕度，外绝缘爬电距离L_p选为7600mm。

进一步地，胶浸纸电容芯子2在套管体8内的绝缘距离L_w为：

L_w＝U_Lg×α/E_w

式中：U_Lg、α、E_w分别为额定工频干闪电压，裕度系数和SF6平均放电场强。

本实施例中，额定工频干闪电压165kV，裕度系数1.2和SF6平均放电场强0.65kV/mm，套管SF6端绝缘距离需要大于165x1.2/0.65＝304.6mm，设计时选取胶浸纸电容芯子2在套管体8内的绝缘距离L_w为1672mm。

进一步地，胶浸纸电容芯子2的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

本实施例中，φ85铝管单位长度有效电阻：R＝0.828e^-5Ω/m；

单位长度的导杆发热量：p₁＝3000^2*0.828e^-5＝74.52W/m；

模拟套管单位长度的介质发热量：p₂＝(100e^3)^2*314*421e^-12*0.007/2.672e^-3＝3.463W/m；

胶浸纸电容芯子2最大温升最大温升Δθ

进一步地，胶浸纸电容芯子2采用等裕度、不等台阶的设计方法。

本实施例中，胶浸纸电容芯子2内径选取为105mm，胶浸纸电容芯子2外径选取为274mm。设计时，电容屏数为电容屏数为：

n_c＝U_Lg/U_c

n_c＝165/5.2＝31.7，选取电容屏数量为32层。通过调节伞梯差与尾梯差来控制台阶的长度，从而调节换流变直流套管过热故障模拟平台的径向场强(或称层间场强)与轴向场强(或称工频轴向场强)，使径向场强尽量均匀，同时控制轴向场强在需用轴向场强以下，经过调节以后的胶浸纸电容芯子2的部分尺寸如表1所示，胶浸纸电容芯子2的层间场强和工频轴向场强如图2、图3，其横坐标为依次表格1次序排列的主电极序号以及辅助电极序号。

表1套管电容芯子的尺寸表

由图2、图3可知，换流变直流套管过热故障模拟平台的径向场强最大值为2.93V/mm，而此处的局放起始场强为5.72kV/mm，因此该换流变直流套管过热故障模拟平台的绝缘裕度为5.72/3.86＝1.48。

一种换流变直流套管过热故障模拟方法，其利用上述换流变直流套管过热故障模拟平台进行，通过调节触头5和触指6之间的插接长度或改变表带的安装位置或表带的材料，用于模拟过热模拟结构接触面积不足导致的过热故障，该方法能能够最大程度的模拟换流变直流套管过热故障时出现的实际情况，操作过程简单、安全可靠。

进一步地，上述过热故障模拟方法还包括通过在触指6内布置金属氧化物碎屑，用于模拟过热模拟结构接触不良导致的过热故障。

本发明有益效果在于：过热模拟操作简单，可模拟接触面积不足、触指接触不良的常见过热故障；多点设置的光纤测温点可在温升试验过程中实时监测各设置点的温度情况，用于研究套管过热故障的温度分布规律；设有检测阀门，可进一步研究过热故障时SF₆气体分解物含量随时间的变化规律、分解物的比值变化规律、产气速率变化规律。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，包括套管体，所述套管体一端为封闭端，另一端密封连接有法兰；所述套管体上套设有硅橡胶绝缘护套且所述套管体内设有导电杆，所述导电杆通过过热模拟结构与所述封闭端连接，所述导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；所述法兰、所述套管体封闭形成腔室，所述腔室内充满SF6气体绝缘；所述过热模拟结构包括设在所述导电杆一侧的触指以及设在所述套管体封闭一端的触头，所述触头表面设有若干表带，所述触指插接在所述触头上。

2.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子的表面、所述导电杆的表面、所述触头和所述触指的连接处的一处或多处设置有光纤测温点。

3.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述封闭端上设有气体检测阀门。

4.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述触头与所述触指的接触面积S为：

S＝n_s×b_s×L_s

式中：n_s为所述表带数量，b_s为每条所述表带的接触宽度，L_s为触头触指的对接长度。

5.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述套管体的空气端干弧距离L_g和所述硅橡胶绝缘护套的外绝缘爬电距离L_p分别为：

空气端干弧距离L_g：

L_g＝U_Lg×α/E_g

式中：U_Lg、α、E_g分别为额定工频干闪电压，裕度系数和平均干闪场强；

外绝缘爬电距离L_p：

L_P＝nL_b

式中：n为所述硅橡胶绝缘护套的伞裙个数，L_b表示爬电比距(单位：无量纲)。

6.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子在所述套管体内的绝缘距离L_w为：

L_w＝U_Lg×α/E_w

式中：U_Lg、α、E_w分别为额定工频干闪电压，裕度系数和SF6平均放电场强。

7.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

8.根据权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子采用等裕度、不等台阶的设计方法。

9.一种换流变直流套管过热故障模拟方法，其特征在于，利用权利要求1所述的换流变直流套管过热故障模拟平台进行，通过调节所述触头和所述触指之间的插接长度或改变所述表带的安装位置或改变所述表带的材料，用于模拟所述过热模拟结构接触面积不足导致的过热故障。

10.根据权利要求9所述的换流变直流套管过热故障模拟方法，其特征在于，还包括通过在所述触指内布置金属氧化物碎屑，用于模拟所述过热模拟结构接触不良导致的过热故障。